Capítulo 2
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SISTEMAS TÉRMICOS Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica Capítulo 2 Conceitos sobre sistemas 1 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Objetivos Apresentar conceitos fundamentais e definições que serão usadas no estudo da termodinâmica: – – – – – – Utilização da termodinâmica Definição de sistemas Comportamento de sistemas Massa, comprimento, tempo e força Volume específico e pressão Temperatura Introdução Termodinâmica Origem grega: * therme: calor * dynamis: força Visão antiga: Capacidade de corpos quentes produzirem trabalho Visão atual: Relações de energia e propriedades da matéria Interações de um determinado sistema com a sua vizinhança 3 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Utilização da Termodinâmica Motores de combustão interna Compressores e bombas Sistemas de ventilação e condicionamento de ar Sistemas de resfriamento diversos Produção de energia elétrica Biomedicina 4 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Definindo Sistemas Em análises de engenharia é preciso definir precisamente o que será estudado O sistema é tudo aquilo que desejamos estudar Um motor, uma refinaria, um refrigerador, um molde de injeção A quantidade e a composição de matéria de um sistema pode ser fixa ou variável (fluxo de matéria e reações químicas) A forma do sistema pode mudar com o tempo durante o estudo 5 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Sistema, vizinhança e fronteira Tudo o que não faz parte do sistema em estudo, é parte da vizinhança O sistema é diferenciado da vizinhança pela fronteira A fronteira pode estar em repouso ou em movimento A escolha da fronteira define o sistema 6 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 fronteira sistema vizinhança 7 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Tipos de sistemas Sistema fechado (massa de controle) Sistema fechado isolado Volume de controle (sistema aberto) Superfície de controle 8 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Sistema Fechado (massa de controle) Definido quando uma certa quantia de matéria está em estudo. Contém sempre a mesma quantidade de matéria Não pode ocorrer fluxo de massa pela fronteira 9 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Sistema fechado isolado Quando o sistema não interage de forma alguma com a vizinhança Não existe troca de massa ou de calor ou outra manifestação de energia Caso especial de sistema fechado 10 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Volume de Controle (sistema aberto) O sistema é uma determinada região do espaço por onde a massa escoa Ocorre fluxo de massa pela fronteira 11 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Superfície de controle É o nome dado a fronteira, quando utilizase os termos massa de controle e volume de controle 12 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Escolhendo a fronteira A escolha da fronteira é feita levando-se em consideração: – O que é conhecido acerca de um possível sistema; – O objetivo da análise. 13 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Comportamento dos sistemas Visão macroscópica e microscópica Propriedade, estado e processo Propriedades intensivas e extensivas Fase e substância pura Equilíbrio Processos reais e em quase-equilíbrio 14 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Visão macroscópica e microscópica da termodinâmica Termodinâmica clássica → visão macroscópica Preocupação com o comportamento global do sistema Termodinâmica estatística → visão microscópica Preocupação com a estrutura da matéria 15 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Propriedade Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema para a qual pode-se atribuir um valor numérico em um dado instante sem conhecer a história do sistema Ex: massa, volume, energia, pressão e temperatura. 16 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Estado É a condição de um sistema descrito pelas suas propriedades em um determinado instante. Pode ser definido por um sub-conjunto de propriedades. Todas as outras propriedades são definidas a partir destas. 17 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Estado 18 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Processo É a mudança do um estado do sistema para outro no tempo A mudança de estado se verifica pela variação de uma ou mais propriedades Quando nenhuma propriedade varia com o tempo (não há mudança de estado) o sistema é dito em REGIME PERMANENTE 19 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Processo 20 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Ciclo termodinâmico É uma seqüência de processos onde o sistema inicia e termina no mesmo estado. As propriedades apresentam os mesmos valores iniciais ao final do ciclo. O sistema não apresenta variação líquida de estado ao longo do ciclo. 21 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Ciclo Termodinâmico 22 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Propriedades extensivas Quando o valor global da propriedade para o sistema é a soma das partes para o qual o sistema é dividido. Variam no máximo com o tempo Ex: massa e volume 23 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Propriedades Intensivas Quando o valor da propriedade é independente do tamanho do sistema. Podem variar em função do local no sistema e com o tempo Ex: volume específico, pressão e temperatura 24 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Fase e substância pura Fase refere-se a uma quantidade de matéria que é homogênea em composição química e em estrutura física (líquido, sólido, vapor ou gás) Um sistema pode possuir uma ou mais fases 25 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Equilíbrio Mecânico Térmico Químico De Fase 26 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Equilíbrio Um sistema isolado da vizinhança estará em estado de equilíbrio se não houverem mudanças significativas nas suas propriedades com o tempo A temperatura e a pressão serão uniformes ao longo do sistema, desde que o efeito da gravidade não seja significativo (para a pressão) As fases não devem possuir qualquer tendência de mudança de estado para o sistema entrar em equilíbrio 27 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Processos Reais e em quaseequilíbrio Por simplicidade consideraremos que quando o sistema passa por um processo real do estado 1→2, então todos os estados intermediários são estados de quaseequilíbrio, ou seja, o desvio do equilíbrio termodinâmico do sistema é no máximo infinitesimal. 28 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Resumo Sistemas termodinâmicos, tipos de sistemas, propriedades extensivas e intensivas, estado, processos, fases e substâncias puras, equilíbrio e processo em quase-equilíbrio Exercícios (numerá-los) 29 Prof. Luciano Caldeira Vilanova 31/05/2017 Exemplo 2.1 Um gerador eólico turboelétrico é montado no topo de uma torre. A eletricidade é gerada à medida que o vento incide constantemente sobre as pás da turbina. A saída elétrica do gerador alimenta uma bateria. Considerando apenas o gerador eólico como sistema, identifique as posições da fronteira onde ocorre interação com a vizinhança. Descreva as mudanças que ocorrem no sistema com o tempo. Repita a análise para um sistema que inclui somente a bateria. Exercício 2 Observando-se a figura abaixo, identifique os locais onde se situam as fronteiras do sistema que estabelecem interações com a vizinhança. Exercício 3 Conforme ilustrado na figura abaixo, a água circula entre um tanque de estocagem e um coletor solar. A água aquecida no tanque é utilizada para fins domésticos. Considerando o coletor solar como um sistema, identifique as posições nas fronteiras onde este interage com as vizinhanças e descreva o que acontece no interior do sistema. Repita a análise para um sistema que inclua o tanque de estocagem e toda a tubulação. Exercício 4 Conforme ilustrado na figura abaixo, o vapor escoa por uma válvula conectada em série a uma turbina. A turbina aciona um gerador elétrico. Considerando a válvula e a turbina como um sistema, identifique as posições nas fronteiras onde o sistema interage com suas vizinhanças e descreve o que acontece no interior do mesmo. Repita a análise para um sistema que inclua o gerador.
